vPrimePCBA
vPrimePCBA strebt die Entwicklung, Implementierung und Validierung einer virtuellen Auslegung für verkapselte Elektroniken mit Schutz gegen chemische Reinigung sowie Dampfsterilisation in der Medizintechnik an.
Der Einsatz einer virtuellen Produktentwicklung soll zu einer dauerhaften Ressourceneinsparung von elektronischen Bauteilen bei der Entwicklung von neuen Designs für elektronische Medizintechnikgerät beitragen.
Projektpartner
- Polymer Competence Center Leoben GmbH, Koordinator
- Elastic Simulations GmbH
- Ottronic Regeltechnik GmbH
Motivation und Ziele
Das Ziel von vPrimePCBA ist es die Effizienz des aktuellen Entwicklungsprozesses und der Fertigungserprobung für elektronische Medizinprodukte zu erhöhen und dadurch die Ressourcen- und Rohstoffnutzung nachhaltig zu reduzieren.
Im vorliegenden Fall des Produktionsprozesses der Verkapselung mit duroplastischen Formmassen ist der durch die Vernetzungsreaktion variierende Aushärtungsgrad und die damit verbundenen Einflüssen auf die Materialeigenschaften (Festigkeit, Steifigkeit, Viskosität) die Treibkraft für eine hohe Belastung der Lötstellen von oberflächenmontierten Bauteilen (engl. Surface Mounted Devices, SMDs), welche folglich im Verkapselungsprozess brechen können.
Aus diesem Grund strebt vPrimePCBA eine innovative virtuelle Analyse der Leiterplattenbelastungen im Verkapselungsverfahren an, welche eine Beurteilung der Schädigung der Lötstellen moderner Ball Grid Array (BGA) oder Land Grid Array (LGA) Verbindungstechniken in einem bisher noch nicht realisierten Detailierungsgrad ermöglicht. Dazu wird die numerische Strömungsmechanik (engl. Computational Fluid Dynamics, CFD) zur Nachbildung des Verkapselungsprozesses über geeignete Schnittstellen mit der thermo-mechanischen Finite Elemente Analyse von Leiterplattenbaugruppen (engl. Printed Circuit Boards, PCBAs) verknüpft. Durch Automatisierung in der Modellierung, Open-Source Software und Cloud-Computing soll eine, in der Praxis bisher noch nicht realisierte, Bewertung der Zuverlässigkeit von PCBAs und Lötstellen ermöglicht werden.
Basierend auf der entwickelten Methodik kann eine virtuelle Optimierung des Component-Placing für den Verkapselungsprozess realisiert werden, welche aktuell nur durch einen sehr hohen Prüf- und Testaufwand realisiert wird.
Das etablierte Wissen und die virtuelle Auslegung der gesamten Prozesskette von verkapselten PCBAs ermöglicht eine dauerhafte Ressourceneinsparung bei der Neuentwicklung, Weiterentwicklung oder auch Designänderung von verkapselten PCBAs in der Medizintechnik bei gleichzeitiger Gewährleistung der hohen Anforderungen an Produktqualität und -zuverlässigkeit. Dadurch kommt es zu einer Steigerung der Effizienz und Wettbewerbsfähigkeit am internationalen Markt. Ebenso ermöglicht vPrimePCBA, durch Reduktion der benötigten Designvariationen und der damit verbundenen Reduktion von physischen Tests, eine Reduktion der Ressourcen- und Rohstoffnutzung durch eine Einsparung von ≈ 10000 SMD sowie ≈ 2000 Through Hole Technology (THT) Bauteilen je entwickeltem PCBA und ein Gesamt-Energieeinsparungspotential von 684 kWh pro Jahr.
Hauptziele
- Virtual Prototyping des bei Ottronic GmbH entwickelten und gebräuchlichen Verkapselungsverfahrens durch detaillierte Modellierung von PCBAs und Lötstellen sowie Optimierung des Leiterplattendesigns hinsichtlich Produktionsrandbedingungen
- Erhöhung der Effizienz des aktuellen Entwicklungsprozesses und der Fertigungserprobung für elektronische Medizinprodukte mit Schutz gegen chemische Reinigung sowie Dampfsterilisation
- Definition von Best-Practices für die, in der Medizintechnik normativ geforderte, Verifikation und Validation
Wertvoller Beitrag zu den Sustainable Development Goals (SDGs) der UN:
- UN SDG Ziel 8 (Menschenwürdige Arbeit und Wirtschaftswachstum)
- UN SDG Ziel 9 (Industrie, Innovation und Infrastruktur)
- UN SDG Ziel 12 (Verantwortungsvolle Konsum- und Produktionsmuster)
- UN SDG Ziel 13 (Maßnahmen zum Klimaschutz)- UN SDG Goal 8 (Decent Work & Economic Growth)
- UN SDG Goal 9 (Industry, Innovation and Infrastructure)
- UN SDG Goal 12 (Responsible Consumption and Production)
- UN SDG Goal 13 (Climate Action)
Vorgangsweise
Der aktuelle Stand der Technik ermöglicht es mit stark vereinfachten PCB-Strukturen globale Lastbedingungen von Lötstellen zu berechnen und diese nachfolgend in fein aufgelösten Submodellen für zyklisch thermo-mechanische Lasten zu beurteilen. Im Bereich der Spezialelektronik, wie im Falle der Medizintechnik, sind jedoch vorrangig die nahezu statischen Lasten während dem Verkapselungsprozesses der Treiber für Schädigung und Bauteilversagen. Hier erweitert vPrimePCBA den Stand der Technik, indem es die Kopplung einer CFD-Simulation einer duroplastischen Formmasse mit der Analyse der Schädigung der Lötstellen moderner BGA oder LGA-Verbindungstechniken während des Fertigungsprozesses, in einem bisher nicht realisierten Detailierungsgrad, ermöglicht. Darauf basierend kann eine Optimierung des Component-Placing für den Spritz-Druckguss realisiert werden, welche bis dato nicht möglich ist bzw. nur durch sehr hohen Prüfaufwand umgesetzt werden kann.
„Die Digitalisierung ist eine der Grundlagen sowohl für aktuelle als auch zukünftige Nachhaltigkeitsthemen, indem sie Unternehmen dabei unterstützt, Ressourcen effizienter zu nutzen, den Energieverbrauch zu senken und die Sensibilisierung für Umweltfragen zu erhöhen.“
Fördergeber
Die Forschungsarbeiten im Rahmen des Projekts „vPrimePCBA – Virtual Prototyping of Reactive Injection Molding for Enhanced Sustainability of Printed Circuit Board Assemblies” werden am Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Österreich) im Rahmen des „Produktion und Material 2023, national“-Programms des Bundesministeriums für Innovation, Mobilität und Infrastruktur unter Beteiligung der Ottronic GmbH und der Elastic-Simulations GmbH durchgeführt. Das Programm wird durch die FFG abgewickelt.
